ANPyO基PBX的爆炸性能

何志伟，王 洋，郭子如，刘 锋，江向阳，刘祖亮

(1.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001；2. 南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094)

引 言

随着全球石油消费需求不断攀升，且由于石油储量的局限性，造成油田开发程度加深、储量减少、埋藏深度增加，使石油开采条件变得更加苛刻，进而对石油射孔弹等井下起爆器材提出了更高的要求。随着油井深度的增加，井下温度和压力也相应升高，对爆炸材料的耐热性和爆炸性能提出了更高的要求[1]。同时，军用低易损炸药对主体炸药提出了高能钝感的要求。为了满足以上特殊使用条件的需求，研制开发新型高能量密度材料并对其爆炸性能进行研究非常必要。

2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPyO)是一种新型高能量密度材料，以其较好的综合性能受到了国内外的广泛关注[2-4]。ANRyO具有较高的爆炸能量、良好的热安定性[5-6]和较低的感度[7]，在一些高温和特殊用途的场合，可以作为三氨基三硝基苯(TATB)、六硝基芪(HNS)等耐热炸药[8-9]的替代品，在深井石油射孔弹、低易损炸药等领域有较大的应用潜力。国外学者Jafari、Mohammad等[2]运用密度泛函理论计算了ANPyO晶体结构特性，研究了其晶体和分子能带结构、态密度和晶格能等性能；国内学者石艳文、张蒙蒙、何志伟等[3,5-6]对ANPyO进行了分子动力学模拟计算，探讨了结构、能量和力学性能及其温度效应；成健、张蓉仙等[10-11]合成了ANPyO的含能配合物，并分析其热分解行为和热分解机制。关于ANPyO耐热性的研究已有较多的相关报道，但对其爆炸威力及射孔破甲等爆炸性能研究鲜有报道。

本研究通过ANPyO基高聚物黏结炸药(PBX)与多种常用耐热炸药及高能炸药的对比试验，系统地研究了其爆速、威力和聚能射孔[12]等方面的性能，以期对拓展ANPyO在耐热石油射孔弹和低易损炸药中的应用提供参考。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

ANPyO、8701炸药、TATB，均为实验室自制；HNS、RDX，甘肃银光化学工业有限公司；PYX，西安近代化学研究所；氟橡胶F2311、氟橡胶F2603、丁腈橡胶NBR-26，中蓝晨光化工研究设计院有限公司；乙酸乙酯，天津市科密欧化学试剂有限公司；液体石蜡，南阳石蜡精细化工厂。

MFB-500型发爆器，渝荣防爆电器有限公司；TSN-632M型32通道爆速测定仪，法国Chrono Meter公司；钢靶、压药钢制模具，南京赛格精密模具有限公司；油压机，东莞铭锵机械有限公司。

1.2 样品制备

采用溶剂-悬浮-蒸馏法制备ANPyO基PBX样品。ANPyO为主体炸药，黏结剂为氟橡胶F2311、F2603和丁腈橡胶NBR-26。

首先称取0.5g氟橡胶F2311置于单口圆底烧瓶，加入200mL乙酸乙酯，60℃水浴加热30min，得到氟橡胶F2311的乙酸乙酯溶液冷却备用。称取10g ANPyO置于150mL带搅拌桨的三口圆底烧瓶中，加入120mL溶剂，然后用恒压漏斗缓慢加入40mL F2311乙酸乙酯溶液和增塑剂，将反应体系置于60 ℃恒温水浴中，减压蒸馏，结束后升温至75℃保温10min，冷却静置。将产物抽滤，经多次洗涤后于水浴烘箱中干燥至恒重，制得样品,编号为样品1。按照上述步骤，以氟橡胶F2603和丁腈橡胶NBR-26为黏结剂制备的ANPyO基PBX样品分别编号为样品2和样品3。上述样品中黏结剂质量分数均为1%。

1.3 爆速与感度测试

按照GJB772-97方法702.1测定样品的爆速。药柱压药条件为：钢制模具内径15.0mm，油压机压强240MPa；为防止压制药柱长径比过大，退模易造成裂纹甚至断裂，样品药柱药量取5.0g；每组样品测试3次，结果取平均值。

按照GJB772-97方法601.1测定样品的撞击感度；按照GJB772-97方法602.1测定样品的摩擦感度。

1.4 爆炸威力试验

通过爆炸威力试验比较ANPyO基PBX样品与参照样品的聚能药柱产生的聚能射流对钢锭的侵彻深度和侵彻体积。按照聚能药柱的压制参数条件，采用钢制压药模具，模具内径60mm，药型罩为工业紫铜Tu冲压而成，直径58mm，锥角60°；试验设置炸高为80mm，单发装药量为300g。为保证稳定起爆，ANPyO药柱采用加RDX传爆药起爆方式，如图1所示。为了获得射流侵彻靶板时孔径的分布情况，采用两块靶板叠加，上层靶板为直径110mm、高度180mm的钢锭，下层靶板为直径110mm、高度40mm的钢锭。

图1 起爆方式及试验布置Fig.1 Initiation method and test arrangement

1.5 射孔穿深试验

射孔试验用弹型为DP3623-3；按照聚能药柱的压制参数条件，药型罩为铋合金粉末冲压而成，内径为38mm，锥角为30°。分别采用压罩和粘罩工艺方法，压罩即为装完药后将药型罩置于压药模具上一次冲压成形；粘罩即为装完药后直接用模具将炸药冲压成形，然后用黏结剂将药型罩粘到锥形药柱内侧。试验用射孔弹外观如图2所示；根据压药工艺条件的要求和实际压制效果调整压强范围为2～5.5MPa，保压时间为3s；单发装药量为25g。

图2 射孔弹压药成形外观Fig.2 Press-charged appearance of perforation projectile

射孔试验装置主要由起爆系统(导爆索和电雷管)、射孔弹、支撑管和45#圆钢靶组成，其结构示意图如图3所示。

图3 射孔试验装置结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the penetration test device

2 结果与讨论

2.1 爆速与感度分析

为了比较ANPyO基PBX与常用耐热混合炸药的爆速、撞击感度和摩擦感度，选择以常用耐热炸药PYX、HNS、TATB为基的PBX样品与制备的ANPyO基PBX样品进行对比试验，结果见表1。

表1 试验样品的爆速与机械感度

注：ρ为密度；D为爆速；I为撞击感度；F为摩擦感度。

从表1可知，3种ANPyO基PBX样品的爆速均为7300m/s左右，与TATB和HNS基PBX样品的爆速比较接近；3种样品的装药密度均为1.78 g/cm3左右， 比TATB基PBX样品装药密度略小，比HNS基PBX样品装药密度略大；3种ANPyO基PBX样品的爆速和装药密度明显高于PYX基PBX样品。说明ANPyO基PBX样品的爆速达到甚至部分超过常用钝感炸药的水平，满足常用钝感炸药的爆炸性能要求，可以作为一种新型钝感炸药候选化合物。上述PBX样品配方中含氟高聚物良好的耐热性、稳定性和抗老化性，以及与PBX样品中其他成分之间较好的相容性，能够明显改善PBX样品的压制成形性[13]，同时对提高PBX样品配方的耐热性也具有重要意义。3种ANPyO基PBX样品中，以NBR-26为黏结剂的样品3爆速略高于以氟橡胶为黏结剂的样品1和样品2，样品1和样品2爆速比较接近，由于NBR-26特征官能团—CN电负性强于氟橡胶特征官能团F原子，—CN与ANPyO中—NO2产生诱导效应更强，故NBR-26与ANPyO晶体的界面作用更稳定，参加爆炸化学反应更充分，表现为样品3爆速略高于样品1和样品2，但是NBR-26的耐热性和抗老化性要弱于氟橡胶，对于深油井高温射孔等特殊环境不利。

从表1撞击感度和摩擦感度试验结果可知，6种PBX样品的撞击感度和摩擦感度均低于其对应的单质炸药，说明采用黏结剂包覆后的PBX样品的安全性得到提高，其原因主要为高分子材料在炸药颗粒表面形成了一层致密、有弹性的薄层，起到了包覆作用，一定程度上缓和了撞击或摩擦等机械作用[9]。根据相对位移或压缩空气生热产生热点建立的热点理论，包覆作用不利于热点的产生，也就不容易引发爆炸。3种ANPyO基PBX样品的撞击感度比PYX基PBX样品低约64%，摩擦感度比PYX基PBX样品低约28%；撞击感度比HNS基PBX样品低约24%，摩擦感度比HNS基PBX样品低约8%。3种ANPyO基PBX样品的撞击感度与TATB基样品接近，虽然摩擦感度比TATB基PBX样品高约16%，但仍能满足低易损炸药钝感高能的要求，对于低易损装药具有重要的研究意义和应用价值。

2.2 爆炸威力分析

为了研究ANPyO基PBX样品的爆炸威力，选择8701高能混合炸药作为参照，分别对样品3和8701炸药压制的药柱进行威力测试，测试结果见表2。同时，根据爆炸威力测试原理，通过计算模拟，模拟出聚能药柱爆炸生成射流侵入两块叠加靶板过程的示意图，如图4所示。被侵彻靶板的照片，如图5所示。

表2 爆炸威力试验结果

图4 射流侵彻靶板的数值模拟示意图Fig.4 Schematic diagram of numerical simulation of jet penetrating target plate

图5 威力实验侵彻靶板情况Fig.5 Penetrating target plate situation of power test

由表2测试结果可知，样品3的威力与8701炸药存在一定差距，其侵彻体积为8701炸药参照标准的76.4%，但是其聚能射流的侵彻深度与8701炸药接近，达到8701炸药侵彻深度的96.1%，其上靶板初次入孔开口直径(见图5 (a))比8701炸药(见图5 (b))小3mm；由图5 (a)可知，下靶板上表面有少量杵堵，刚好穿透上靶板，8701炸药能量已达到极限。说明样品3爆炸产生的聚能射流更集中，但能量水平弱于8701炸药。

根据威力测试的结果，样品3的爆炸侵彻威力稍弱于8701炸药，基本接近常用钝感炸药。由于单质ANPyO晶体压制聚能药柱的成形性不够理想，在压制过程中出现明显的咯吱声，表明其流散性较差，容易在静压力的作用下使药柱各部分受力不均，影响其密度的均匀性，甚至可能导致药柱出现裂纹或断层，从而影响聚能药柱的侵彻威力和侵彻稳定性。为了改善ANPyO晶体的压药成形性，通过一定的工艺方法将少量高分子材料包覆到ANPyO的表面制成造型粉，然后通过优化压药工艺条件能够有效改善其成形性，增加其装药密度和装药质量，提高其侵彻威力，拓展ANPyO基PBX的应用范围。

2.3 射孔穿深分析

为了比较不同黏结剂成分的ANPyO基PBX样品的射孔穿深能力，试验用PBX样品射孔弹6发。根据组分中黏结剂F2311、F2603、NBR-26的不同分为3组，每组2发弹的组分相同，粘罩和压罩工艺不同。分别对6发射孔弹进行钢靶射孔穿深试验，并对试验结果进行比较分析，试验结果见表3。部分钢靶射孔穿深试验的入口位置和入口规整性如图6所示。

表3 射孔弹的射孔穿深性能测试结果

图6 钢靶射孔破甲效果Fig.6 Effect of perforation and penetration of steel targets

由表3可知，3种黏结剂成分的PBX样品的射孔穿深均超过120mm，其中NBR-26样品的射孔深度最大，破甲效果最好，粘罩和压罩射孔深度均超过了130mm；NBR-26样品的入孔规则且直径最大，入孔孔径误差不超过0.1mm，炸药爆炸形成射流的能量更大；边-边距的测量结果说明NBR-26样品在钢靶上射孔开坑位置分布更趋近于中心，射孔位置更准确，能量更集中。含F2311和F2603的样品比较，射孔深度比较接近，含F2603的样品稍大于含F2311的样品，入孔直径大小也比较接近，F2311样品的孔口比F2603样品更规则，但F2311样品的射孔偏心更大。3组样品中，每组中压罩压制的射孔弹在射孔深度、孔口规整性、射孔位置准确性方面均比粘罩射孔弹效果好。

对表3射孔穿深性能测试结果的比较分析可知，3种ANPyO基PBX样品均具有较好的钢靶射孔穿深性能，其中黏结剂NBR-26样品的入口稳定且规则、射孔穿深最大，表明该样品爆炸后形成的聚能射流能量更集中，即主体成分ANPyO爆炸后产生的冲击动能和热能利用率更高。影响射孔穿深性能的因素很多，但爆炸产物沿射流运动方向的速度分布和质量分布是影响射孔穿深的关键因素，根据测试结果比较可得样品中的黏结剂成分在一定程度上对聚能射流产生影响，进而影响其射孔性能。除了爆炸材料、装药结构等因素外，药型罩也是影响射孔穿深性能的重要因素之一，本试验采用易碎性较好的铋合金粉末药型罩，在其压垮期间，产生的拉应力和剪切力较小，能量损失几乎可忽略，形成的聚能射流近似为理想流体，能量集中，动能较高，有利于提高对钢靶的射孔穿深效能。

3 结 论

(1)ANPyO基PBX样品的爆速为7300m/s左右，接近于常规钝感炸药TATB和HNS基样品，但高于PYX基样品；其撞击感度比PYX基PBX样品低约64%，比HNS基PBX样品低约24%；摩擦感度比PYX基PBX样品低约28%，比HNS基PBX样品低约8%。撞击感度与TATB基样品接近，摩擦感度比TATB基PBX样品高约16%。ANPyO可以作为一种新型高能钝感含能材料。

(2)爆炸威力试验选择以8701炸药作为参照标准，ANPyO基PBX样品的聚能侵彻体积为8701炸药的76.4%，侵彻深度为8701炸药的96.1%，在上靶板初次入口直径比8701炸药小3mm，其爆炸威力稍低于8701炸药，基本接近于常见PBX的爆炸性能。

(3)3种ANPyO基PBX样品均具有较好的钢靶射孔穿深能力，射孔深度均超过120mm，其中黏结剂NBR-26样品的射孔深度最大，超过130mm，入孔最规则且直径最大，射孔偏心最小。以F2311与F2603为黏结剂的2种样品的测试指标比较接近，以F2311为黏结剂样品的部分测试结果略好于以F2603为黏结剂的样品；测试结果比较表明，压罩比粘罩的射孔穿深效果好。